摘 要 本文针对研究温度对石窟表面凝结水形成原因的影响，提出一种基于MSP430F169单片机、温度传感器PT1000和24位AD转换器ADS1255的温度测量方案。该方案特点在于：一方面，传感器易于安装；另一方面，测量精度高达0.1℃，并且测量范围为-200℃~650℃，可以广泛应用于其它相关高精度温度采集系统中。
关键词 温度检测；MSP430F169；PT1000；ADS1255；高精度
中图分类号TP368文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）46-0227-02
0 引言
在我国，拥有众多十分珍贵的石窟艺术宝库，大多都已经被列为国家重点文物保护单位，其中敦煌莫高窟、云冈石窟、龙门石窟、大足石刻已经被列为世界文化遗产。但是，近几十年来由于空气污染日益严重，空气中CO2、SO2含量增高，使水对岩石的侵蚀能力增强，造成石窟雕像风化速率远高于以往的岁月，导致这些艺术瑰宝逐渐失去了原有风采。而造成石窟石雕风化的水主要来源形式有窟顶与窟壁裂隙的直接渗水、对石窟外壁雕刻的直接冲刷的雨水、洞窟内石雕表面的凝结水。据了解凝结水较其它形式的水对石窟文物的影响更加严重，为了找到洞窟风化病害的防治对策，对洞窟内石雕表面凝结水的研究是非常必要的，而洞窟内外的温差是形成凝结水的主控外因。
本文针对此研究提出一种具有较高精度的温度测量方案。该系统以TI公司MSP430F169单片机为主控，采用高精度PT1000铂电阻温度传感器进行测量，并选用24位模数转换器ADS1255进行数据采集，结合液晶显示器进行数据显示，从而达到高精度温度测量。
1 系统硬件设计
该方案采用的主控芯片为TI公司的MSP430F169。MSP430F169 为16-Bit RISC 架构，最高运算速度8MIPS，有六组I/O口P0~P6，计48 pin脚可供输入输出，数字传输周边模块提供两组USART可作为异步、同步传输（支持SPI 3Pin、4Pin传输）、I2C接口，并且还具有超低功耗等特点，广泛应用在计步器、血糖计、三用电表、功率计等可携式产品应用上。
1.1 PT1000和ADS1255温度采集硬件电路设计
金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器。铂电阻温度传感器精度高，稳定好，响应也较快，典型实验数据为：在400℃时，持续300小时，0℃时的最大温度漂移为0.02℃。应用温度范围广，是中低温区（-200℃~650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。
ADS1255是一款高性能的A/D转换器，其内部集成多路选择开关MUX、可编程增益控制器PGA、四阶调制器可编程数字滤波器等，具有极低的噪声，可满足高精度的测量要求。ADS1255能够接收输入幅度为0V~5V的信号若超出该范围器件将损坏，因此若需采集的信号不在该范围内，首先需将其线性变化0 V~5V之内才能输入到ADS1255。
本方案选用的为铂电阻为PT1000，级别为1/3DIN B，0℃时电阻值为1 000Ω，100℃时标准电阻值为1 385.1Ω，零度时阻值误差±0.04 %，温度误差±（0.10+0.0017|t|）℃ ，温度系数TCR误差0.003851±0.000004Ω/Ω/℃。图1所示为由PT1000和ADS1255组成的温度采集硬件电路。
图中PT1000和ADS1255均采用2.5V的参考电压，基准源选用TI公司的2.5V电压基准REF5025。ADS1255具有检测连接至输入端外部传感器的完整性的电路，传感器检测电路简化，开启传感器检测功时，ADS1255将自动开启输入缓冲器。由于ADS1255提供3路模拟输入端，模拟多路开关寄存器可将其配置为1路差动输入或者2路单极输入。本方案中，ADS1255设置为差动输入，通道0为正差动输入通道（AIN0），通道1为负差动输入端（AIN1）。
由于PT1000在0℃时电阻值为1000Ω，100℃时标准电阻值为1385.1Ω，变化最大约为0.38kΩ，电阻变化量较小，要得到较高精度的测量数据，所选的分压电阻必须适当，方案中选择的分压电阻R8为5.1kΩ精度为0.1%的精密电阻。
1.2 ADS1255的SPI接口
ADS1255只能工作在SPI 通讯的从机模式下，采用四线制（时钟信号线 SCLK、数据输入线DIN、数据输出线DOUT和片选线CS）。可以通过各种主控制器来控制 ADS1255片上的寄存器，通过串口读或写这些寄存器。
SPI（Serial Perip heral Interface 串行外设接口）总线系统是一个同步串行外设接口，允许 CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通讯，交换信息。外围接口器件包括简单的TTL移位寄存器、AD、DA 转换器、实时时钟、 存储器以及LCD、LED显示驱动器等。SPI系统使用四条线：串行时钟线（SCK），主机输入从机输出数据线（MISO），主机输出从机输入数据线(MOSI)和低电平有效的从机选择线（SS）由于SPI系统总线只需3~4数据和控制线即可扩展具有SPI各种IO器件，而并行总线扩展方法需8根数据线、8~16位地址线、2~3控制线，因而SPI总线的使用可以简化电路设计，提高设计的可靠性。
2 结论
PT1000的基值为1kΩ，0℃~100℃时变化才0.38kΩ，所以当测量范围为-30℃~50℃时变化一定小于0.38kΩ，采集到的信号需要经过一定的放大，此时可采用AD内部的PGA进行8或者16倍放大，如此虽然牺牲了AD的3或4位，但是对要达到0.1℃的精度影响不大。另外，电路在布线时一定要单点共地，防止大电流造成的压差影响测量精度。AD内部开启的缓冲器不可能达到轨至轨，所以会在电源和地的附近产生电压死区，而AD的电源电压高于基准源的电压，故 PT1000必须是接在2.5V的基准源一端，从而防止产生电压死区影响测量。
参考文献
[1]王选民.智能仪器原理及设计[M].清华大学出版社，2008.
[2]REF5025，Low-Noise, Very Low Drift，Precision voltage reference，2009.
[3]ADS1255，Very low noise 24bit analog-to-digital converter，2008.
[4]何建，胡焱，周超.24位A/D转换器ADS1255及其应用[J].西南民族大学学报：自然科学版，2006(9).
[5]求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M].人民邮电出版社，2004.
[6]王小波，赵兆，梁春苗.ADS1255及其在数字地震检波器中的应用[J].地质装备，2010.
[7]孙沁梅，卢益民.高精度模数转换器ADS1256的原理和应用[J].计算机与数字工程，2005.
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